新型氧硫族化合物熱電材料性能計(jì)算及應(yīng)力應(yīng)變調(diào)控.pdf

1、熱電器件能夠把廢熱直接轉(zhuǎn)換成電能，在解決能源危機(jī)和環(huán)境污染問題等方面具有極大的應(yīng)用潛力。近年來，人們?cè)趯?shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)新型氧硫族化合物BiCuOCh(Ch: S,Se,Te)、CuGaTe2和SrTiO3具有優(yōu)良的熱電性能。然而，目前相應(yīng)的熱電理論計(jì)算落后于實(shí)驗(yàn)，不利于這些熱電材料性能的進(jìn)一步提升?；诖?，本論文采用第一性原理，以新型氧硫族化合物熱電材料為研究對(duì)象，通過計(jì)算其電子結(jié)構(gòu)，探究其優(yōu)良熱電性能的微觀機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，采用半經(jīng)典玻爾茲

2、曼理論計(jì)算其熱電性能，對(duì)其摻雜載流子濃度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后，探究外應(yīng)力以及應(yīng)變對(duì)其熱電性能的調(diào)控。本論文主要開展了以下幾個(gè)方面的工作：
　　(1)探究了BiCuOCh、CuGaTe2和SrTiO3熱電輸運(yùn)的微觀機(jī)理。采用第一性原理對(duì)其各自的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。通過分析BiCuOCh電子結(jié)構(gòu)的特征，發(fā)現(xiàn)BiCuOCh價(jià)帶頂?shù)腃u3d軌道與Chnp軌道組成的CuCh反鍵態(tài)決定其熱電性能。分析CuGaTe2的電子結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)CuGaTe

3、2靠近費(fèi)米面的價(jià)帶部分既有重帶又有輕帶，這是p型CuGaTe2具有高Seebeck系數(shù)和較高電導(dǎo)率的微觀機(jī)理。分析SrTiO3的能帶結(jié)構(gòu)特征，探究了n型SrTiO3具有高Seebeck系數(shù)的微觀機(jī)理。
　　(2)計(jì)算了BiCuOCh、CuGaTe2和SrTiO3的擇優(yōu)載流子濃度。通過第一性原理結(jié)合玻爾茲曼輸運(yùn)方程，計(jì)算了其熱電性能隨化學(xué)勢(shì)、溫度以及濃度的變化關(guān)系，并與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較。通過分析其功率因子與弛豫時(shí)間比值的峰值，得到這些

4、新型氧硫族化合物擇優(yōu)的載流子濃度。探討了這些熱電材料處于p型或n型摻雜時(shí)其熱電性能的差異。
　　(3)研究了外應(yīng)力對(duì)BiCuOSe和CuGaTe2熱電性能的調(diào)控。計(jì)算外應(yīng)力下這兩種熱電化合物電子結(jié)構(gòu)和熱電性能，分析外應(yīng)力下這兩種熱電材料電子結(jié)構(gòu)和熱電性能的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)外應(yīng)力是有效增強(qiáng)這兩種化合物電導(dǎo)率的途徑，并探究了外應(yīng)力對(duì)其熱電性能調(diào)控的微觀機(jī)制。
　　(4)研究了雙軸應(yīng)變對(duì)CuGaTe2和SrTiO3熱電性能的調(diào)控。計(jì)

5、算CuGaTe2與SrTiO3在雙軸應(yīng)變下的電子結(jié)構(gòu)及其熱電性能，分析了應(yīng)變情況下其電子結(jié)構(gòu)與熱電性能的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了應(yīng)變情況下其熱電性能的面內(nèi)分量與面外分量出現(xiàn)互補(bǔ)的特性，探討了應(yīng)變情況下其熱電性能變化的微觀機(jī)理。
　　本論文的研究建立了新型氧硫族化合物微觀電子結(jié)構(gòu)與其宏觀熱電性能之間的關(guān)聯(lián)，在此基礎(chǔ)之上，發(fā)現(xiàn)摻雜、外應(yīng)力以及應(yīng)變等能帶工程方法能有效對(duì)其熱電性能進(jìn)行調(diào)控。這些工作為實(shí)驗(yàn)上進(jìn)一步提高新型氧硫族化合物熱電優(yōu)值提供了